蔡苗 蔡紅娟 周斌

摘 要 基于技術發(fā)展、課程建設、能力培養(yǎng)的需要，以夯實理論基礎、強化學生的現(xiàn)代電子技術應用能力為目標，將傳統(tǒng)數(shù)電課程與EDA課程進行整合，從課程整合原則、課程設置目的、Verilog教學內容設計、教學安排、教學方法等方面深入闡述了“數(shù)字電路與Verilog設計”課程改革方案。經兩輪試點驗證，獲得了良好的教學效果，具備一定的科學性和較強的推廣性。

關鍵詞 數(shù)字電路 硬件描述語言 建模 教學改革

中圖分類號：G424?????????????????????????????????????文獻標識碼：A ???DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2019.07.056

Teaching?Reform?of?"Digital?Circuit?and?Verilog?Design"

in?the?Background?of?New?Engineering

CAI?Miao，?CAI?Hongjuan，?ZHOU?Bin

（WuChang?Shouyi?University，?Wuhan，?Hubei?430064）

Abstract Based?on?the?needs?of?technology?development，?curriculum?development，?and?capacity?development，?with?the?goal?of?strengthening?the?theoretical?foundation?and?strengthening?students?'ability?to?apply?modern?electronic?technology，?traditional?digital?electricity?courses?are?integrated?with?EDA?courses.?From?the?principles?of?curriculum?integration，?the?purpose?of?curriculum?setting，?the?design?of?Verilog?teaching?content，?teaching?arrangements，?and?teaching?methods，?the?reform?plan?of?"Digital?Circuit?and?Verilog?Design"?was?elaborated?in?depth.?After?two?rounds?of?trial?verification，?good?teaching?results?were?obtained，?and?it?has?a?certain?degree?of?science?and?strong?generalization.

Keywords digital?circuit;?Verilog?HDL;?modeling;?teaching?reform

0?引言

2017年復旦共識、天大行動、北京指南，奏響了新工科建設的序曲。筆者所在高校為“應用型本科”，著力培養(yǎng)學生具備扎實的基礎理論功底、較硬的專業(yè)核心能力、較強的工程應用能力。順應新工科建設的需要，以OBE為導向，筆者所在高校也進陸續(xù)行了培養(yǎng)方案、培養(yǎng)計劃、課程體系的調整。在制定人才培養(yǎng)方案時，更注重學科交叉、學科融合、系統(tǒng)級的綜合實踐能力、創(chuàng)新能力及自學能力的培養(yǎng)。在這種背景下，專業(yè)基礎課程的建設顯得比以往更加重要。

電子技術相關課程是電類專業(yè)十分重要的專業(yè)基礎課程，基于技術發(fā)展、課程建設、能力培養(yǎng)的需要，筆者所在的電子系圍繞傳統(tǒng)與現(xiàn)代電子技術實踐能力培養(yǎng)一體化的思路，將傳統(tǒng)數(shù)電課程與EDA課程融合，加大實踐環(huán)節(jié)的培養(yǎng)力度，重構了課程體系。

1?傳統(tǒng)電子技術類課程教學的現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的電子技術課程包括“數(shù)字電路與邏輯設計”（后簡稱為數(shù)電）、“模擬電子技術”、“電子線路實驗”、“電子線路課程設計”，注重培養(yǎng)學生電路搭建、故障查處、儀器使用等專業(yè)基礎核心能力的培養(yǎng);而隨著科技發(fā)展、單位用人需求，學生的現(xiàn)代電子技術實踐能力需加強，而這塊的能力只在大三的“EDA技術”課程中得到培養(yǎng)，時間較晚且學時較少;原有的電子技術課程體系在設置時，傳統(tǒng)與現(xiàn)代電子技術實踐能力的培養(yǎng)自成一體，缺乏連貫性、系統(tǒng)性;再者，EDA技術教學內容在安排上，有部分內容與數(shù)電知識重復，而這部分學時可以轉移為實踐教學。為了解決傳統(tǒng)教學當中存在的不足，急需進行課程體系的改革。

2?按照現(xiàn)代電子技術能力一體化培養(yǎng)，重構課程體系

以夯實理論基礎、強化學生的現(xiàn)代電子技術應用能力為目標，以學生現(xiàn)代電子技術能力培養(yǎng)為主線，按照“電子技術基礎理論及實驗、電子線路課程設計、EDA課程設計”三位一體的教學模式，將涉及到的課程進行優(yōu)化整合，重構教學內容。課程體系重構前后的對照如表1所示。

（1）將“數(shù)字電路與邏輯設計”與“EDA技術”兩門課程融合為“數(shù)字電路與Verilog設計”。新課程在原數(shù)電教學安排的基礎上增加8學時的理論教學和8學時的附屬Verilog實驗。原“EDA技術”課程中，可編程邏輯器件和硬件描述語言基本語法融入本門課程的理論教學中;Quartus?II軟件開發(fā)平臺以及FPGA開發(fā)板的基本使用方法通過課程附屬實驗講解。重構的課程體系中，“數(shù)字電路與Verilog設計”是教學改革的立足點，也是重點。

（2）將“電子線路課程設計”的內容適當調整，設置項目在安排上，應體現(xiàn)對電子線路實驗和數(shù)電附屬實驗的綜合應用，同時應考慮到跟后續(xù)EDA課程設計的銜接性，做到對前課的查漏補缺，以及對后課的承上啟下。

（3）增加“EDA課程設計”，原“EDA技術”取消，其中專業(yè)應用性較強的內容通過電子技術課程設計及EDA課程設計這兩門實踐課程來學習。

通過課程體系的整合，來提高課程的系統(tǒng)性、連貫性，增加數(shù)電基本理論與EDA技術的融入度，增強知識應用性，有利于促進學生對電子技術基礎理論的掌握，同時，在總學時變動不大的情況下，加大實踐環(huán)節(jié)的培養(yǎng)力度。

3?數(shù)字電路與Verilog設計課程改革方案

3.1?確定課程的整合原則

本課程定位為專業(yè)基礎課，教學目的是讓學生掌握基礎理論，具備基本設計能力，注重教學內容的理論性和系統(tǒng)性。故而EDA課程在與傳統(tǒng)數(shù)電課程進行內容優(yōu)化整合時，應側重于電子技術專業(yè)基礎能力的獲得，以此為原則，采用實例驅動的方式優(yōu)化整合課程內容。

3.2?明確課程設置的目的，調整教學重點

進行課程融合的目的是加深對數(shù)電基礎知識的理解，增強知識的應用能力;建立現(xiàn)代電子系統(tǒng)設計的一般概念，使學生盡早接觸專業(yè)知識;降低語言建模的學習難度;培養(yǎng)學生的自學能力。故而，傳統(tǒng)數(shù)電與EDA課程整合時，應將傳統(tǒng)的數(shù)電課程和EDA課程中的部分內容進行融合，而非簡單疊加。硬件描述語言只是描述電路的一種方法，在講解語言建模時，仍應側重設計思路的講述。融合后，教學重點及培養(yǎng)目標相應的做部分調整。例如，傳統(tǒng)數(shù)電教學的重點“培養(yǎng)集成器件的外部特性及應用能力”應調整為“器件應用能力+數(shù)字邏輯設計思維+語言建模能力”。

3.3?設計Verilog?HDL教學內容

原有EDA課程涉及到的硬件描述語言語法眾多，在進行課程融合時，以“實例驅動、夠用原則”來設置Verilog部分的教學內容。

（1）通過簡單介紹PLD的一般概念、設計流程、開發(fā)環(huán)境，初步認識現(xiàn)代電子電路設計的一般方法。給出一個簡單的邏輯電路，展示其門級建模，對比模塊、邏輯電路、器件，進而講解模塊的基本結構、關鍵詞、自定義標識符等，建立對于可編程邏輯器件及語言建模的宏觀認識。

（2）通過展示組合電路的建模實例，講解相應語法，降低語言的枯燥性，增加應用性。例如，以2選1數(shù)據(jù)選擇器為例，通過與邏輯圖比對，講解結構級建模及內置門級元件;通過表達式比對，講解數(shù)據(jù)流建模及運算符、wire型變量等;通過功能表比對，講解行為級建模，講解語句塊、敏感事件等。

（3）通過回顧行為級描述的一般結構，比對講解敏感事件列表、過程賦值語句，在此基礎上舉例講解觸發(fā)器、計數(shù)器、移位寄存器的建模。

（4）以4位全加器為例，引出電路的層次結構，講述頂層模塊、低層模塊、實例引用、位置關聯(lián)、名稱關聯(lián)。

（5）Verilog實驗形式分為隨堂實驗和單設實驗。隨堂實驗講述在quartus下進行設計的全過程，以及語法錯誤的判斷及糾正。單設實驗圍繞教學重點，實驗項目在安排上應模塊化，層次化，由淺入深，在加深對數(shù)電基礎理論的理解的同時，引導學生進行模塊化的電路設計，培養(yǎng)學生的邏輯設計思維。例如，第一次實驗，基本內容[1]可以設計一個簡單的加法器，掌握設計輸入、編譯、下載及測試的全過程，在此基礎上設計一個帶控制端的顯示譯碼器，擴展內容為設計一個編碼、譯碼、顯示電路。

3.4?制定教學安排

考慮到數(shù)字邏輯基礎理論知識的系統(tǒng)性，結合以往學生在傳統(tǒng)數(shù)電課程學習過程中對知識的接受度以及能力獲得情況，課程內容在安排上，將“組合電路的VerilogHDL建?！迸c“觸發(fā)器及時序電路的VerilogHDL建?！狈謩e放在“組合邏輯電路設計”與“時序邏輯電路設計”之后集中講述，隨后8學時的單設實驗分兩次集中開設。

3.5?充實教學方法

采用項目（工程實例、生活實例）導入的方式，激發(fā)學生主動學習的興趣。設置隨堂軟件仿真環(huán)節(jié)，利用Multimsim仿真軟件實現(xiàn)電路仿真，具化相關知識點，加強學生對重難點的理解和掌握。對于重難點內容，通過課前預習、課中提問、課后周練的方式進行強化教學，鞏固所學知識，培養(yǎng)學生獨立思考、分析問題和解決問題的能力。利用信息化學習平臺，引導學生主動通過實踐和自學獲得關于數(shù)字邏輯的相關知識。

4?結論

將VerilogHDL設計融入傳統(tǒng)數(shù)電教學，語言建模與面包板搭建相結合，加深學生對數(shù)電基礎知識的理解，增強知識的應用性、系統(tǒng)性，強化學生傳統(tǒng)與現(xiàn)代電子技術實踐能力的培養(yǎng)，同時使學生盡早接觸專業(yè)知識，在大二就建立起現(xiàn)代電子系統(tǒng)設計的一般概念，此外也降低了語言建模的學習難度。課程設置符合現(xiàn)代技術發(fā)展、課程建設、能力培養(yǎng)的需要，經兩輪試點驗證，獲得了良好的教學效果，具備一定的科學性和較強的推廣性。

參考文獻

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